專利名稱：類富勒烯碳膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高彈性、低摩擦類富勒烯碳膜的制備方法。
背景技術(shù)：
為了適應(yīng)航空航天、微電子、生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Σ牧媳砻娴奶厥庖?，固體 潤滑薄膜正向著低磨擦、高硬度、長壽命的方向發(fā)展。利用薄膜科學(xué)、表面改性 與納米技術(shù)的最新進(jìn)步成果，通過沉積方法的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展在特殊環(huán)境 和工況中具有高彈性、低摩擦的新型潤滑薄膜材料，對于國家高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展 具有十分重要的意義。無定型碳膜與常規(guī)固體潤滑薄膜相比具有一系列優(yōu)良的摩 擦學(xué)性能，無定型碳膜具有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，例如類石墨結(jié)構(gòu)、類金剛石結(jié) 構(gòu)以及類富勒烯結(jié)構(gòu)。其中，作為新發(fā)展出來的類富勒烯結(jié)構(gòu)碳膜，因其具有較 低的摩擦系數(shù)、高硬度、良好的彈性恢復(fù)以及優(yōu)良的耐磨性能，已作為一類先進(jìn) 固體潤滑材料而受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。類富勒烯碳膜可以通過多種 方法獲得，例如磁控濺射沉積、脈沖電弧沉積以及脈沖激光刻蝕沉積等等。在
此類制備過程中，都需要將基底加熱到350'C以上，并且在沉積氣氛中引入氮?dú)?br> 來降低沉積中離子所需的能量。這樣的制備條件使得類富勒烯碳膜只能沉積在單 晶硅以及陶瓷等耐高溫材料上，這大大限制了類富勒烯碳膜在實(shí)際工況中的應(yīng) 用。因此，在較低溫度下沉積具有低摩擦、高彈性以及高硬度的類富勒烯碳膜材 料逐漸成為了人們研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。但是，目前外關(guān)于針對開展相關(guān)研究較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高彈性、低摩擦類富勒烯碳膜的制備方法。
本發(fā)明通過如下措施來實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明通過高能粒子轟擊與磁控濺射相結(jié)合的辦法，降低沉積過程中形成類 富勒烯結(jié)構(gòu)所需的能量，從而解決傳統(tǒng)類富勒烯碳膜制備過程中存在的沉積溫度 高、使用范圍有限的問題，在金屬底材上制備出具有高彈性、低摩擦性能的類富 勒烯碳膜。
一種類富勒烯碳膜的制備方法，采用復(fù)合氣相沉積系統(tǒng)，利用脈沖高偏壓與磁控濺射相結(jié)合的方法制備，其特征在于靶材選取純度高于99.999%的石墨；磁 控濺射電源選用功率為10 KW的交流中頻電源；脈沖電源選用6KV高壓電源； 沉積時(shí)石墨靶為陰極，濺射氣體為高純Ar氣和CH4混合氣體，氣壓為0.5Pa; 濺射電流為2.5A;金屬底材連接-1000—2000V脈沖負(fù)偏壓；沉積溫度控制在 100-120°C，制備出厚度為500nm的類富勒烯碳膜。
上面所述的方法，Ar氣與CH4氣的體積比為1: 1。
采用本發(fā)明方法制備出的類富勒烯碳膜，其微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為具有類富勒烯 結(jié)構(gòu)高度彎曲的石墨平面，均勻的鑲嵌在以無定型碳為基體的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。其宏觀 性能表現(xiàn)為薄膜表面均勻致密，粗糙度小于1.5nm，納米壓入硬度達(dá)到21GPa， 彈性恢復(fù)可達(dá)85%以上；在大氣氣氛下，以Si3N4球?yàn)閷ε?，利用UMT摩擦試驗(yàn) 機(jī)考察薄膜摩擦學(xué)性能，其摩擦系數(shù)小于0.02，耐磨壽命可達(dá)106轉(zhuǎn)。
本發(fā)明制備出的類富勒烯碳膜具有原子量級的表面光潔度、較低的摩擦系 數(shù)、較高的硬度以及良好的彈性恢復(fù)性能。因此適用于高精度空間運(yùn)動部件、微 機(jī)電系統(tǒng)的潤滑，并有望成為一種長壽命、低摩擦的新型減摩抗磨固體潤滑薄膜。
具體實(shí)施例方式
為了更好的理解本發(fā)明，通過實(shí)施例進(jìn)行說明。
實(shí)施例l:
在不銹鋼或鈦合金表面采用本發(fā)明制備類富勒烯碳膜，工件采用常規(guī)的鍍
前預(yù)處理工藝。所用靶材為純度99.999%石墨耙，通過冷壓石墨粉末制得。沉 積氣體為99.9X的高純Ar氣和CH4氣體，沉積氣壓為0.5Pa。利用磁控濺射，在 Ar氣環(huán)境中預(yù)先在金屬底材上濺射一層厚度為100nm的金屬Cr粘結(jié)層；其次利用 脈沖高偏壓與磁控濺射相結(jié)合的方法，在-1000V脈沖偏壓下，Ar與CH4混合氣體 中，利用氬和甲烷等離子體濺射碳靶，其中Ar氣氣體流量保持在120Sccm， CH4 氣體流量為120 Sccm;在粘結(jié)層上沉積500nm的類富勒烯碳膜層，濺射電壓為 560V，電流為2.5A。按上述靶材成分和工藝條件下進(jìn)行沉積，即可在金屬底材 上一次性沉積出具有高彈性、低摩擦性能的類富勒烯碳膜。
權(quán)利要求
1、一種類富勒烯碳膜的制備方法，采用復(fù)合氣相沉積系統(tǒng)，利用脈沖高偏壓與磁控濺射相結(jié)合的方法制備，其特征在于靶材選取純度高于99.999％的石墨；磁控濺射電源選用功率為10KW的交流中頻電源；脈沖電源選用6KV高壓電源；沉積時(shí)石墨靶為陰極，濺射氣體為高純Ar氣和CH4混合氣體，氣壓為0.5Pa；濺射電流為2.5A；金屬底材連接-1000—-2000V脈沖負(fù)偏壓；沉積溫度控制在100-120℃，制備出厚度為500nm的類富勒烯碳膜。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于Ar氣與CH4氣的體積比為1: 1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高彈性、低摩擦類富勒烯碳膜的制備方法。本發(fā)明采用復(fù)合氣相沉積系統(tǒng)，利用脈沖高偏壓與磁控濺射相結(jié)合的方法制備。制備出的類富勒烯碳膜具有原子量級的表面光潔度、較低的摩擦系數(shù)、較高的硬度以及良好的彈性恢復(fù)性能。因此適用于高精度空間運(yùn)動部件、微機(jī)電系統(tǒng)的潤滑，并有望成為一種長壽命、低摩擦的減摩抗磨固體潤滑薄膜。
文檔編號C23C14/24GK101469402SQ20071030859
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者劉維民, 張俊彥, 鵬 王 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所